专利名称：适用于发动机气缸套的深层离子渗氮工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钢铁零件表面热处理的方法，具体是涉及一种离子渗氮工艺。
背景技术：
气缸套是发动机的重要零件之一。发动机的气缸套是活塞组往复运动的导向面，活塞环密封压力和活塞侧推力直接作用在气缸套内壁上，使缸套和活塞环受到强烈的摩擦，这种摩擦往往处于半干摩擦状态。尤其在润滑不良、进气污浊、冷却不当和燃烧不正常等情况下，会造成缸套和活塞环的强烈磨损。所以缸套内表面要求具有高的硬度、耐磨性 、抗蚀性和高的抗热疲劳强度等。要达到使用要求，长期以来都是对气缸套内壁进行渗氮处理。通过渗氮处理，可以增强表面硬度，提高耐磨性。成品气缸套内表面硬度要求S76HRA，氮化层深度要求O. 3 O. 6mm，氮化层脆性为I级，成品气缸套内径公差要求为O. 02mm。渗氮工艺主要有气体渗氮工艺和离子渗氮工艺，由于渗氮热处理后，气缸套必然存在变形，要想达到气缸套内径公差要求必须经过磨削加工。气体渗氮是将零件放入到通有氨气的渗氮炉内，在540°C左右使氮原子渗入到金属基体内。这种工艺技术存在着生产周期长、污染严重、产品变形大和产品合格率低等问题。长期以来，柴油机气缸套采用气体渗氮处理，这种方法不但存在着生产周期长、变形大、污染大和产品合格率低等问题，而且由于需要加大渗氮后内孔的磨削量，因此将渗氮层最最硬、耐磨、最具有防腐能力的表层已经磨掉。离子渗氮是一种在低于IO5Pa的渗氮气氛中，通入直流高压电，利用工件作为阴极，与阳极间稀薄含氮气体产生辉光放电进行渗氮的工艺。这种反应连续不断的进行，就在工件表面形成具有高硬度、高耐磨性的氮化物层。离子氮化设备由真空炉体工作室、真空维持及测量系统、渗氮介质供给系统、温度测量及控制系统和供电及控制系统等部分组成。离子氮化与气体氮化相比具有氮化速度快、能控制渗层组织、零件变形小、节能和环保等优点，但是离子渗氮的渗氮层深度一般较浅，对于气缸套这种工作环境恶劣零件来说，太浅的渗层往往不能承受巨大的压力和摩擦力的考验。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种渗氮速度快、渗层深、能够满足发动机气缸套技术要求的离子渗氮工艺。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种适用于发动机气缸套的深层离子渗氮工艺，包括以38CrMoAlA为气缸套材质、脉冲电源辉光离子氮化炉为离子渗氮设备、以液氨为氮离子气源的离子渗氮工艺，气缸套在氮化处理前调质处理，调质处理的回火温度为560-580°C，气缸套在氮化处理前的机械性能为σ b彡883 N/mm2、σ s ^ 736 N/mm2、δ 5 彡 10%、Ψ 彡 45%、A K ^ 78 J、HB =262 302、dB=3. 5 3· 75，其特征在于所述离子渗氮工艺包括清洗工序、装炉工序、离子渗氮工序、出炉工序，
所述清洗工序是首先将气缸套上的毛刺、锈迹用机械方法清理干净，然后将气缸套在第一道清洗剂(JA0206溶剂型清洗剂)槽内浸泡2min 4min，晾干，再进入第二道清洗剂(JA0206溶剂型清洗剂)槽内进行第二次清洗，再用清水漂洗干净并立即风干或烘干；
所述装炉工序是将清洗好的气缸套放置在脉冲电源辉光离子氮化炉的阴极盘上，放置过程中首先在阴极盘上用导体柱均衡支起一底支撑盘，气缸套均匀放置在底支撑盘上，在气缸套上部盖有顶板，顶板上和底支撑盘上对应气缸套的位置均开有通孔；
所述离子渗氮工序包括抽真空、打弧、升温、保温阶段，当脉冲电源辉光离子氮化炉内真空度达到50Pa以下时，将设备电压设定在650V，调节占空比、点燃辉光开始打弧，打弧初期电流表指示值应接近零位，当打弧频率减弱时，继续调大占空比，如此反复，直到占空比为70%、打弧频度再变弱后，将占空比调节为零并将电压调到700V，然后再逐渐调大占空比继续打弧；当占空比再到70%并且打弧频度变弱后，向脉冲电源辉光离子氮化炉内通入氨气,继续打弧,此时炉内温度开始升高；
所述升温，是在上述打弧过程中，弧光基本消失、辉光稳定、电流不再增加时，加大炉内氨气的通入量，通过调整占空比、电阻档位，使氮化炉继续升温，并将炉内电压调到750V，直·到炉内温度达到520°C，开始进入保温阶段；
保温阶段是在520°C保温15h，然后升温到540°C保温25h，保温过程中氨气流量控制在O. 5-0. 8L/min，真空度控制在500_800Pa，达到保温时间时，减小氨气流量，调低电压、调小占空比继续维持辉光，使气缸套在辉光状态下缓慢降温，当温度降至300°C以下后，停炉停气冷却，当气缸套实际温度降至150°C以下出炉。本发明的底支撑盘上均布有凹槽，凹槽内放置有底支撑座，气缸套配合放置在底支撑座上，气缸套外面套装有屏蔽套；所述顶板与底支撑盘设置有支撑杆。所述脉冲电源辉光离子氮化炉内测温热电偶的测温头的周围设置3个Φ50Χ120的圆钢柱。由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是本发明的方法渗氮速度快、渗层深、能够满足发动机气缸套技术要求。与气体氮化相比本发明的离子氮化工艺，渗氮时间可以缩短20h左右，生产周期比气体氮化要缩短三分之一左右。经多次重复实验证明，利用本发明的方法生产的发动机气缸套的变形均在允许范围之内，与气体氮化相比变形小的多。从金相组织来看，本发明的方法所得的渗氮层的扩散层中呈脉状分布的氮化物量少，且细小、不连续，组织均匀致密，脆性小。将气缸套进行台架对比考核试验发现，本发明的方法生产的气缸套符合发动机气缸套成品技术要求。本发明方法的离子氮化成品表面硬度高于气体氮化，使用性能略优于气体氮化，进而提高了缸套的使用寿命。本发明的装炉方式使炉内气缸套分布均匀，盖在气缸套上面的顶板可以减少气缸套的散热速度，支撑杆的设置可以对顶板有一定的支撑作用，防止顶板对气缸套施加过大的压力，减小气缸套的变形。同时顶板和底支撑盘上对应通孔，有利于渗氮气氛流动。气缸套外面套装的屏蔽套，可以防止气缸套外表面发生渗氮，使气缸套的后续机械加工工艺简化。测温热电偶的测温头的周围设置圆钢柱的目的是使测温热电偶附近温度尽可能地接近炉内缸套实际温度。
图I是本发明的装炉方式示意图；其中，I、底支撑盘，2、顶板，3、底支撑座，4、屏蔽套，5、气缸套，6、中间支撑座，7、支撑杆，8、导体柱，9、阴极盘。
图2是气体渗氮(510°C 12h+570°C 48h)的渗氮层500倍金相组织照片。图3是本发明方法所得的渗氮层500倍金相组织照片，按国家标准GB/T11354-1989《钢铁零件渗氮层深度测定和金相检验》检测扩散层中氮化物级别为I 2级。
具体实施例方式适用于发动机气缸套的深层离子渗氮工艺，气缸套材质为38CrMoAlA，气缸套氮化后表面硬度> 80HRA，成品气缸套表面硬度> 76HRA ;氮化层脆性为I级；气缸套氮化后氮化层深度O. 52-0. 80mm,成品气缸套氮化层深度O. 3-0. 6mm ;氮化后内孔尺寸偏差要求在O. 09 mm以内，本实施例中氮化后气缸套的内孔尺寸要求Φ 149. 68-Φ 149. 77 mm。渗氮设备为LDMC-150型脉冲电源辉光离子氮化炉，该设备可输出O 1000V连续可调电压，炉体有效工作尺寸为Φ 1200Χ 1300mm，钟罩内壁配置双层隔热屏，内隔热屏材质为不锈钢，外隔热屏材质为铝合金。炉内真空度用ZDZ-2K型电阻式真空计测量。离子氮化 所用气源为液氨。氨气的流量用701HB型全不锈钢玻璃转子流量计测量。氨气经进气管送入炉内两层隔热屏之间，由炉底盘中心抽气孔排出。气缸套在氮化处理前调质处理，调质处理的回火温度为560 580°C，气缸套在氮化处理前的机械性能为σ b彡883 N/mm2、σ s彡736 N/mm2、δ 5彡10%、Ψ彡45%、A κ ^ 78J、HB =262 302、dB=3. 5 3. 75。调质处理的回火温度高于氮化温度20 40°C，在渗氮过程中不会使气缸套的心部硬度发生变化，在保证机械性能的同时，也可以减少渗氮时气缸套的变形。离子渗氮工艺包括清洗工序、装炉工序、离子渗氮工序、出炉工序。所述清洗工序是采用JA0206溶剂型清洗剂，分两次清洗，以节约清洗剂使用量，降低使用成本，并保证缸套的清洗质量。清洗时，首先将气缸套上的毛刺、锈迹用机械方法清理干净，清理毛刺、锈迹的工作要逐个进行，然后将气缸套在第一道清洗剂槽内浸泡2min 4min，并用毛刷逐件清洗，将工件上小孔和窄缝中的油污、铁屑清洗干净，然后把工件取出晾干。然后再进入第二道清洗剂槽内进行第二次清洗。本道工序质量的好坏不仅直接决定着打弧时间的长短(从而决定工艺周期)，而且可能因缸套清理的不干净，直接造成工件表面烧熔、局部软点等缺陷，严重影响产品质量。两道清洗剂要定期更换。所述装炉工序是将清洗好的气缸套放置在脉冲电源辉光离子氮化炉的阴极盘上，装炉方式见图I。放置过程中首先在阴极盘上用三个导体柱8均衡支起一底支撑盘1，底支撑盘(I)上均布有18个直径为Φ 207mm深为3mm的凹槽，凹槽的中心有Φ 150的通孔。每个凹槽内放置一个底支撑座(3)，每个底支撑座(3)上配合放置一个气缸套，气缸套外面套装有屏蔽套(4)，这样有利于渗氮后进行切削加工；在此屏蔽套配合放置一中间支撑座6，中间支撑座6上在放置一外面套有屏蔽罩的气缸套。在上一层气缸套的上面盖有一整张的顶板(2)，顶板(2)和底支撑盘(I)对应，顶板(2)上对应气缸套的位置也开有通孔。这样氨气流能够通畅的在气缸套内孔中流动。在顶板(2)与底支撑盘(I)还设置有三根支撑杆
(7)，以减少顶板对气缸套的压力。这样一炉共36个气缸套。本发明采用热电偶测温，为了仪表温度更接近炉内实际温度，在脉冲电源辉光离子氮化炉内测温热电偶的测温头周围摆上3个Φ50Χ120的圆钢柱，经过验证这样测得的温度与炉内实际温度非常接近。所述离子渗氮工序包括抽真空、打弧、升温、保温阶段。当脉冲电源辉光离子氮化炉内真空度达到50Pa以下时，即可开始打弧。首先，顺时针方向缓慢旋转“电压给定”旋钮，将设备电压调整到650V，然后调节占空比，当占空比增加至某一数值时，辉光被点燃，气缸套上同时出现闪烁的弧光。打弧初期电流表指示值应接近零位，弧光应时灭时起。如工件上的弧光不能在短时间内熄灭，则应及时判断并进行处理，排除故障后，方可重新开始工作。当打弧频率减弱时，继续调大占空比，如此反复，直到占空比为70%、打弧频度再变弱后，将占空比调节为零并将电压调到700V，然后再逐渐调大占空比继续打弧。在700V给定电压下，再次缓慢将占空比调高到70%，当打弧频度再变弱后，向脉冲电源辉光离子氮化炉内通入氨气，继续打弧，此时炉内温度开始升高。当上述打弧的弧光基本消失、辉光稳定后即进入升温阶段。当调大占空比，电流不再增加时，逐渐加大炉内氨气的通入量，使氨气通入量从开始时的O. 2 O. 3L/min，逐渐提高到此时的O. 4 O. 5L/min，通过调整占空比、电阻档位，使氮化炉继续升温，此时先调小占空比至20%，再调大氨气流量，然后再调大占空比继续升温；当升温电流增加到电阻I挡额定最大工作电流值的50%左右时，应及时切换到电阻2挡继续升温和保温。换挡后，将炉内电压调到750V，并再次逐渐调大占空比，直到炉内温度达到520°C，开始进入保温阶段。 当温度升至接近520°C时，观察炉内工件的实际温度，再调整控制设定温度，使工件实际温度稳定在工艺要求的范围内。升温过程中，当炉体外壁手感微热时，应及时通入冷却水，根据炉体各部位的温度，随时调节上、中、下部位进水量，以保证炉壁上、中、下各部位温度基本一致，并使出水温度保持在50°C 60°C。工作过程中切勿停水。当工件实际温度调整到工艺温度后，即进入保温阶段，并开始计算保温时间。保温阶段是在520°C保温15h，然后升温到540°C保温25h，保温过程中氨气流量控制在O. 65L/min,最低不小于0.5 L/min,最高不大于O. 8L/min,真空度控制在650 Pa,最低不小于500 Pa，最高不大于800Pa，保温过程中缸套上下端温差不应超过10 20°C，达到保温时间时，减小氨气流量到O. 15-0. 2L/min左右，调低电压、调小占空比继续维持辉光，使气缸套在辉光状态下缓慢降温，当温度降至300°C以下后，停炉停气冷却，当气缸套实际温度降至150°C以下即可出炉。采用上述方法渗氮后，氮化层的硬度为80. 9-83 HRA，渗层深度为O. 53_0. 63，渗层磨去O. 15mm处的表面硬度为76. 8-78 HRA，脆性为I级。气缸套的内径变形量较小，缸套小端的最大内径变形量仅为O. 06 mm。采用本发明的方法经六炉216件缸套的验证，内径变形量稳定在O. 02-0. 06 mm之间。而缸套经气体氮化的内径变形量在两端为O. 18-0. 26 mm，其余在 O. 06-0. 15 mm η采用本发明的方法处理的气缸套，磨去加工余量O. 15mm后，成品缸套渗氮层表面硬度值为76. 8-78HRA。而气体氮化后的气缸套需磨去加工余量O. 20-0. 25mm，成品缸套渗氮层表面硬度值为75-76. 4HRA。气体氮化的化合物层中主要以ε相为主，而本发明的离子氮化的化合物层以
Y'相为主。因此与气体渗氮相比，本发明的方法所获得的渗氮层具有更好的韧性，更高的抗疲劳强度、更好的耐磨性。将本发明的方法所得气缸套与用气体渗氮方法获得的气缸套，经过588h的台架耐久性考核试验证明采用本发明方法的气缸套内孔表面状况良好，无划伤与异常磨损痕迹，无穴蚀情况，磨损量非常小，水压试验后无渗漏现象。
由于变形小，所以采用本发明的方法生产的气缸套内径的精磨量可以比气体氮化的少O. 07 O. 11mm，有 利于提高磨削生产率。渗氮过程中氨气耗量仅为气体氮化的十分之
O
权利要求
1.一种适用于发动机气缸套的深层离子渗氮工艺，包括以38CrMoAlA为气缸套材质、脉冲电源辉光离子氮化炉为离子渗氮设备、以液氨为氮离子气源的离子渗氮工艺，气缸套在氮化处理前调质处理，调质处理的回火温度为560-580°C，气缸套在氮化处理前的机械性能为 σ b 彡 883 N/mm2、σ s 彡 736 N/mm2、δ 5 彡 10%、Ψ 彡 45%、A κ ^ 78 J、HB =262 302、dB=3. 5 3. 75，其特征在于所述离子渗氮工艺包括清洗工序、装炉工序、离子渗氮工序、出炉工序， 所述清洗工序是首先将气缸套上的毛刺、锈迹用机械方法清理干净，然后将气缸套在第一道清洗剂槽内浸泡2min 4min，晾干，再进入第二道清洗剂槽内进行第二次清洗，再用清水漂洗干净并立即风干或烘干； 所述装炉工序是将清洗好的气缸套放置在脉冲电源辉光离子氮化炉的阴极盘上，放置过程中首先在阴极盘上用导体柱(8)均衡支起一底支撑盘(1)，气缸套均匀放置在底支撑盘(I)上，在气缸套上部盖有顶板(2 )，顶板(2 )上和底支撑盘(I)上对应气缸套的位置均开有通孔； 所述离子渗氮工序包括抽真空、打弧、升温、保温阶段，当脉冲电源辉光离子氮化炉内真空度达到50Pa以下时，将设备电压设定在650V，调节占空比、点燃辉光开始打弧，打弧初期电流表指示值应接近零位，当打弧频率减弱时，继续调大占空比，如此反复，直到占空比为70%、打弧频度再变弱后，将占空比调节为零并将电压调到700V，然后再逐渐调大占空比继续打弧；当占空比再到70%并且打弧频度变弱后，向脉冲电源辉光离子氮化炉内通入氨气,继续打弧,此时炉内温度开始升高； 所述升温，是在上述打弧过程中，弧光基本消失、辉光稳定、电流不再增加时，加大炉内氨气的通入量，通过调整占空比、电阻档位，使氮化炉继续升温，并将炉内电压调到750V，直到炉内温度达到520°C，开始进入保温阶段； 保温阶段是在520°C保温15h，然后升温到540°C保温25h，保温过程中氨气流量控制在O.5-0. 8L/min，真空度控制在500_800Pa，达到保温时间后，减小氨气流量，调低电压、调小占空比继续维持辉光，使气缸套在辉光状态下缓慢降温，当温度降至300°C以下后，停炉停气冷却，当气缸套实际温度降至150°C以下即可出炉。
2.根据权利要求I所述的适用于发动机气缸套的深层离子渗氮工艺，其特征在于所述底支撑盘(I)上均布有凹槽，凹槽内放置有底支撑座(3)，气缸套配合放置在底支撑座(3)上，气缸套外面套装有屏蔽套(4);所述顶板(2)与底支撑盘(I)设置有支撑杆(7)。
3.根据权利要求2所述的适用于发动机气缸套的深层离子渗氮工艺，其特征在于所述脉冲电源辉光离子氮化炉内测温热电偶的测温头的周围设置3个Φ50Χ120的圆钢柱。
全文摘要
本发明公开了一种适用于发动机气缸套的深层离子渗氮工艺，包括清洗工序、装炉工序、离子渗氮工序、出炉工序，装炉工序是在阴极盘上用导体柱支起一底支撑盘，气缸套均匀放置在底支撑盘上，在气缸套上部盖有顶板，顶板上和底支撑盘上对应气缸套的位置均开有通孔；离子渗氮工序是当炉内真空度达到50Pa以下时，电压设定在650V开始打弧，然后依次调大电压和占空比，在电压调到700V、打弧频度变弱后，向炉内通入氨气，当弧光基本消失、辉光稳定、电流不再增加时，将炉内电压调到750V，并在520℃保温15h，540℃保温25h，氨气流量为0.5-0.8L/min，真空度为500-800Pa，降温时使气缸套在辉光状态下缓慢降温，当温度降至300℃以下后，停炉停气冷却。本发明的离子渗氮工艺渗氮速度快、渗层深、能够满足发动机气缸套技术要求。
文档编号C23C8/02GK102888582SQ20121043387
公开日2013年1月23日 申请日期2012年11月5日 优先权日2012年11月5日
发明者冯涛, 王冬雁, 王华庭, 李胜利, 李世宇, 胡卫中 申请人:河北华北柴油机有限责任公司